新能源電動汽車的“大三電”通常是指電控（包括電池管理系統(tǒng)BMS、整車控制器/電子控制器VCU、電機控制器MCU等）、驅(qū)動三相電機FTM和動力電池RESS/HV，“小三電”則指車載充電機/電池充電機(OBC)、直流/直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC轉(zhuǎn)換器)和高壓配電盒(PDU)。按電子電氣架構(gòu)EEA，電動汽車主要系統(tǒng)可簡單劃分為電力驅(qū)動系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)（詳見下圖1）。

圖1、電動汽車的電氣控制構(gòu)架

電機控制器（MCU，Motor Control Unit）由控制模塊（也叫控制器Control Module）和功率變換模塊（也叫逆變器INV、智能功率模塊IPM或智能動力單元IPU）兩部分組成。它是電動汽車電機的中央控制樞紐，執(zhí)行多項重要功能，以確保平穩(wěn)高效地行駛。它的主要職責(zé)是將電池提供的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機的三相交流電（AC）。它還監(jiān)控溫度、電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù)，以優(yōu)化電機性能并防止?jié)撛诘膿p壞。它還能根據(jù)駕駛員或車輛控制系統(tǒng)的輸入控制電機的速度、扭矩和方向。

圖2、電機控制器工作示意圖

電機控制器主要由控制板、功率模塊、驅(qū)動板、銅排、母線電容、相電流傳感器、三相連接器和安裝支架等零部件組成（詳見下圖3）。

圖3、奧迪E-tron電機控制器硬件組成

電機控制器是通過調(diào)節(jié)電壓大小、頻率高低、相位變化等參數(shù)來控制電機的運轉(zhuǎn)，即通過相應(yīng)的電力轉(zhuǎn)換來控制電機工作。所謂的電力轉(zhuǎn)換就是直流與交流、電壓與頻率的轉(zhuǎn)換。電力轉(zhuǎn)換形式有交流→直流轉(zhuǎn)換、直流→交流轉(zhuǎn)換、直流→直流轉(zhuǎn)換和交流→交流轉(zhuǎn)換。電機控制器接收檔位開關(guān)、加速踏板位置、旋轉(zhuǎn)變壓器、制動等信號，經(jīng)過判斷和邏輯運算之后控制電機的正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速（詳見下圖4）。

圖4、電機控制器工作框架

電機控制器的硬件通常分為控制板和驅(qū)動板。控制板以信號采集、旋轉(zhuǎn)變壓器解碼、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及CAN通信功能為主，并計算出所需占空比，產(chǎn)生正弦PWM(脈寬調(diào)制)信號。控制板主要包括主控芯片、CAN通信芯片、采樣電路、旋變電路和電源電路等。

1、主控芯片

控制板的主控芯片以集成DSP的MCU或FPGA為主，電機控制器中常見的芯片品牌有英飛凌、恩智浦、瑞薩、德州儀器、意法半導(dǎo)體、Silicon Mobility、英特爾/阿爾特拉、AMD/賽靈思和紫光同創(chuàng)等。

英飛凌的AURIX系列MCU基于TriCore架構(gòu)，采用65nm工藝，32bit帶寬，具有多個鎖步核，最高主頻達300MHz，專為高性能和高安全性要求的汽車應(yīng)用設(shè)計。AURIX系列支持多核處理，廣泛應(yīng)用于電動汽車電機控制、自動駕駛、ADAS等高復(fù)雜度任務(wù)。

恩智浦的S32K系列基于ARM Cortex-M7內(nèi)核，專為汽車應(yīng)用設(shè)計，提供高性能、高安全性和低功耗的解決方案。S32K系列在電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的電機控制中有廣泛應(yīng)用。

瑞薩的RH850系列，40nm工藝，32bit位寬帶鎖步核的單核、雙核架構(gòu)，最高主頻240MHz，是專為汽車應(yīng)用設(shè)計的高性能微控制器，采用RXv3核心架構(gòu)，特別適用于電動汽車和混合動力汽車中的電機控制系統(tǒng)。它支持多核冗余設(shè)計，符合ISO 26262 ASIL-D級別的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，并在性能、集成度及功耗管理方面表現(xiàn)出色；瑞薩的SH72AW/AY是一款用于汽車級電機控制的DSP芯片。工作溫度范圍為-40°C至125°C，它嵌入了一個特殊的旋轉(zhuǎn)編碼器和解碼器AU6802。可以實現(xiàn)脈沖定時器的多功能的三個互補的PWM或矩形輸出，兩個16位定時器，160MHz主頻率和RISC(精簡指令集)。IO口供電電壓為5VDC。

德州儀器的C2000系列，32位控制器，支持高速PWM和高精度的ADC，支持FOC、SVPWM等電機控制算法，提供高效能量轉(zhuǎn)換和精確控制。它具備強大的數(shù)字信號處理能力，特別適合需要實時信號處理的電機控制應(yīng)用。拍明芯城元器件商城www.iczoom.com

意法半導(dǎo)體的Stellar系列MCU專為集成式應(yīng)用設(shè)計，集成ARM Cortex-R52內(nèi)核的多核架構(gòu)設(shè)計。這一架構(gòu)使得Stellar能夠在單片MCU上整合傳統(tǒng)上需要多個獨立ECU實現(xiàn)的功能，包括車輛控制單元（VCU）、電驅(qū)逆變系統(tǒng)（MCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）以及熱管理單元。這樣的集成不僅顯著提高了系統(tǒng)的緊湊性和效率，還保證了多任務(wù)的穩(wěn)定運行。通過豐富的數(shù)據(jù)I/O接口，Stellar為各種實時應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互提供了極大的便利，同時在性能和安全性上也表現(xiàn)出色。

Silicon Mobility的FPCU芯片OLEA T222，內(nèi)置了一個安全鎖互核Cortex-R5F，配置了2MB Flash和16KB SRAM，集成DSP(SPU)，以及FLU(Flexible Logic Unit)集成，實現(xiàn)了實時控制單元的靈活性與標(biāo)準(zhǔn)處理器的軟件靈活性結(jié)合。可以滿足ISO 26262 ASIL-D，AUTOSAR 4.3，AEC-Q100三大標(biāo)準(zhǔn)。

英特爾/阿爾特拉的MAX 10 FPGA或Cyclone V SoC FPGA，Cyclone V增加了ARM Cortex-A9雙核硬核處理器子系統(tǒng)。Cortex-A9處理器可提供更強大的計算平臺，并結(jié)合FPGA邏輯實現(xiàn)先進的診斷功能，如用于安全處理器的Nios II DCLS，或其他定制的低級硬件診斷功能，如看門狗和檢查器。可達到ISO 26262汽車安全完整性等級B（ASIL B）或IEC 61508安全完整性等級2（SIL 2）。

AMD/賽靈思的Zynq UltraScale+ MPSoC平臺是率先獲得包括ISO 26262、IEC 61508、ASIL B等汽車功能安全應(yīng)用全面認證的自適應(yīng)SoC器件，同時該平臺還結(jié)合了基于Arm的高性能多核、多處理系統(tǒng)與ASIC類可編程邏輯，后者包含的定制協(xié)處理器可以通過優(yōu)化滿足系統(tǒng)需求，包括用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）處理的深度學(xué)習(xí)處理器單元，可以應(yīng)用在激光雷達、前置攝像頭、ADAS、自動駕駛等領(lǐng)域。

紫光同創(chuàng)的PGL25G-6AFBG256器件采用40nm CMOS工藝和全新LUT5結(jié)構(gòu)，集成RAM、DSP、DDR3等豐富的片上資源和IO接口，最高支持LVDS 1Gbps和DDR3 800Mbps，具備低功耗、低成本和豐富的功能，能夠為車載客戶提供高可靠性，高性價比的解決方案。

2、CAN通信芯片

汽車網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)有CAN、LIN、FlexRay、MOST、Ethernet、LVDS、Bluetooth、Wi-Fi、DSRC和5G等，CAN（Controller Area Network）總線廣泛用于汽車電子控制單元之間（ECU）的通信，是汽車網(wǎng)絡(luò)通信的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

CAN通信芯片，即CAN收發(fā)器芯片，提供電機控制器與外部的交互，常見的芯片有博世的CF160/CF173/CC750/CC770、德州儀器的SN65HVD230、恩智浦的TJA1145/TJA1043/TJA115x、英飛凌的TLT925x/TLE925x/TLE935x、川土微的IF1042、納芯微的NCA1044-Q1、茂睿芯的MCAN1042、思瑞浦的TPT1145Q、芯力特的SIT1043Q/SIT1044Q等。

3、采樣電路

采樣電路負責(zé)采集電機電流、電壓、溫度等參數(shù)，包括控制器的溫度采樣、冷卻的溫度采樣、電機的溫度采樣、IG_ON的檢測、HVIL的檢測等，以便主控芯片進行實時監(jiān)測和控制。這里用到了電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，用于監(jiān)測電機和控制器的工作狀態(tài)并提供保護和控制。各種傳感器品牌有萊姆、邁來芯、羅姆、MPS、德州儀器、泰科、森薩塔、霍尼韋爾、麥歌恩、旭化成微電子、英飛凌、比亞迪半導(dǎo)體、納芯微、航智等。

4、旋變電路

旋變電路用于解碼旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號，以獲取電機的轉(zhuǎn)速和位置信息。旋變解碼芯片能夠?qū)崟r監(jiān)測汽車底盤各部件的運動狀態(tài)，如車輪的轉(zhuǎn)角、速度等，為車輛運動控制系統(tǒng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，確保車輛在加速、制動、轉(zhuǎn)向等操作時的穩(wěn)定性和安全性，對自動駕駛汽車尤為重要，可幫助車輛精準(zhǔn)應(yīng)對復(fù)雜路況。旋變解碼芯片品牌有德州儀器、亞德諾、芯熾科技、杰瑞等。

5、電源電路

電源電路在電機控制器里主要用于產(chǎn)生各類二級電源，如為主控芯片、相關(guān)采樣電路、邏輯電路、功率器件驅(qū)動電路提供工作電源或參考電平。常見的電源芯片品牌有英飛凌、恩智浦、意法半導(dǎo)體、德州儀器、安森美、羅姆、矽力杰、圣邦、比亞迪半導(dǎo)體等。

驅(qū)動板以電源控制、功率調(diào)節(jié)為主，通過IGBT向驅(qū)動電機輸送U、V、W三相交流電，包括高壓采樣和驅(qū)動電路等。高壓采樣電路包括多個高壓采樣電阻和隔離運放，主要是對母線電流電壓，三相電流采樣。驅(qū)動電路將主控芯片或DSP輸出的控制信號，經(jīng)過隔離芯片將驅(qū)動信號帶載能力加強，轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）等功率器件的信號，從而實現(xiàn)對電機的驅(qū)動。并將故障信號送到主控芯片或DSP，隔離方式主要有磁隔離、容隔離和光電隔離。拍明芯城元器件商城www.iczoom.com

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊是電機控制器的核心部件，負責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，并控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。在車輛減速時，還能回收能量，將三相交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，對動力電池進行充電；超級電容與高壓直流母線并聯(lián)，作用是在電機啟動時保持電壓穩(wěn)定，確保電機平穩(wěn)啟動；放電電阻用于在需要時快速放電，保護電路安全；直流高壓插接器與UVW插接器：負責(zé)高壓電路的連接與斷開，確保電流和電壓的穩(wěn)定傳輸。

電機控制器的PCB布局遵循“先大后小、先難后易、分布均勻、重心平衡、布局美觀”的原則，即重要單元電路和核心元器件應(yīng)優(yōu)先布置。電子元器件的布置必須參照主方框圖，主要元器件應(yīng)按信號流向擺放。電源、驅(qū)動芯片和驅(qū)動板中的推拉電路是首要放置的主要部件。控制板中的處理器芯片、采樣電路、電源電路等最小系統(tǒng)電路應(yīng)分開放置。同時要考慮電路板的電磁兼容性(EMC)問題。最簡單的方法是減小敏感信號的環(huán)路面積。控制器板和驅(qū)動板的布局如圖5所示。

圖5、控制器PCB設(shè)計布局

以三個實際案例來講：1、2018款比亞迪元EV360電機控制器采用的是德州儀器的DSP(數(shù)字信號處理器)芯片TMS320配合萊迪思的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)芯片LAMXO256C方案。

圖6、比亞迪元EV360電機控制器（圖源：海通證券）

2、阿維塔11采用的是華為DriveONE三合一電驅(qū)系統(tǒng)，電機控制器是采用的英飛凌的SAL-TC277TP-64F200N（32位AURIX TriCore微控制器），恩智浦的TJA1145TFD（CAN芯片），英飛凌的TLF35584QVVS1（電源管理芯片），恩智浦的MC33GD3100EK（預(yù)驅(qū)動IC），安森美的NVG450A120L5DSC（IGBT模塊）等。

圖7、阿維塔的華為DriveONE電機控制器（圖源：汽車ECU開發(fā)）

3、特斯拉Model 3的電機控制器，采用的是德州儀器的TMS320F28377DPTPQ（主控芯片），英飛凌的TLF35584QVVS2（SBC芯片），意法半導(dǎo)體的STGAP1AS（門級驅(qū)動芯片），德州儀器的 SN65HVD1040A（CAN網(wǎng)絡(luò)芯片），恩智浦的TJA1021（LIN網(wǎng)絡(luò)芯片），安森美的TCA0372BDW（旋變解碼芯片），意法半導(dǎo)體的GK026 (SiC MOSFET)等。

圖8、特斯拉Model 3的電機控制器（圖源：乾勤）

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審核編輯 黃宇